酸素は工業的にどのように製造されるのか？プロセス完全ガイド

酸素は健康、製造、溶接、発電など多くの産業で使用されるため、工業用酸素の調製は重要な問題である。工業用酸素生成プロセスは、空気から酸素を抽出・精製し、一定の要件を満たすことを基本としている。さらに、この段階で行われるのは、酸素の分離だけでなく、その品質、純度、効率の確保でもある。

このガイドでは、工業用酸素製造の主な技術、製造中に発生する困難、そして未来を決定づける技術について探求する。この記事の最後には、酸素製造のすべての段階を理解できるようになります。

工業用酸素製造とは？

工業用酸素製造とは、さまざまな産業で必要とされる酸素を大気から得て精製するプロセスを意味する。酸素は地球の大気中に約21%存在するが、ほとんどの工業プロセスではそのままでは使用できない。そのため、窒素やアルゴンなどの残留ガスを主成分とする空気を構成する他の元素から酸素を分離し、純度と適量の酸素を得る方法が一般的である。

したがって、工業用酸素製造の目的は、医療、冶金、化学、エネルギーなどの関連分野で使用される酸素を、必要な量、適切なレベルの純度で供給することである。例えば、病院で使用される医療用酸素は99.5%よりも高純度でなければならないが、溶接や燃焼プロセス用の工業用酸素は、それほど高い純度を必要としない。

そのため、酸素製造プラントでは、いくつかの複雑なシステムや装置が採用されている。最も一般的なセットアップには以下のようなものがある：

空気分離ユニット（ASU）： これは多くの大規模酸素生産プラントの中核部分である。ASUは、空気を冷却し、個々のガスを分離するために、低温蒸留などの技術を採用している。ASUでは、空気の液化に必要な極低温プロファイルを維持するために、コールドボックスも応用されている。

コンプレッサー： これは、特定のガスの構成要素に分離する前に、大気中の空気を圧縮するために使用されます。これらの機械は、吸着や低温蒸留のような下流の機能のために、空気を設定された圧力レベルに到達させるためにも有用である。

吸着塔（PSAシステム用）： 圧力スイング吸着（PSA）システムでは、吸着塔にゼオライトなどの材料を充填する必要があり、この材料を通して窒素分子が選択的に吸着され、酸素は解放されたままとなる。

膜システム： より少量または低純度の酸素が必要な用途では、膜分離システムが採用される。これらのシステムは、酸素に選択的な膜を使用するため、他のガスよりも酸素を優先的に通過させる。

極低温貯蔵タンク： 特に液体酸素は、生成後に極低温タンクに貯蔵される。これらのタンクは非常に低温で、酸素が使用されるまで、あるいは気体への変換プロセスを経てポンプで送られるまで、液体の状態を保つ。

上記の装置は、酸素生産が産業界に関連するほど効率的であることを保証するために、連動して作動する。この問題の決定と装置の選択、および方法は、それが意図される用途、生産規模、および必要とされる純度の程度に依存する。

したがって、酸素の工業生産は、現在の経済に不可欠な複雑なプロジェクトである。そのため、産業界は最新の技術や設備の助けを借りて、必要な量の酸素とその純度を確保し、必要なレベルの生産効率を達成することができる。

工業用酸素製造の主な方法

工業的規模での酸素製造は、極低温酸素製造法、圧力スイング吸着法（PSA）、膜分離法という3つの主要な方法に依存している。これらの方法にはそれぞれ特徴があり、必要な物質の規模、純度、コストに応じて使い分けられる。

極低温酸素製造：空気液化と蒸留のプロセスを利用した酸素の分離

極低温酸素製造は、その純度の高さから、大規模な酸素製造において最も一般的な酸素製造方法である。このプロセスでは、空気を液化点以下まで冷却するプロセスである低温蒸留を使用する。この温度で空気は液体状態になり、沸点に基づいて空気のさまざまな成分を分離することができる。例えば、酸素は摂氏-183度で沸騰し、窒素は摂氏-196度で沸騰する。

しかし、液化の前に、空気を浄化して水蒸気やCO₂などの汚染物質を除去する必要がある。極低温条件下では、少量の水やCO₂であっても凝縮して氷や固体のCO₂となり、これが装置を詰まらせ、分離プロセスの妨げとなるため、この段階は重要である。この段階では、4Aや13Xのようなモレキュラーシーブが非常に重要である。これらは高い選択性で水とCO₂を吸着することができ、これらの成分の濃度は1ppm以下にまで下げられる。モレキュラーシーブはまた、水分とCO₂を同時に除去する能力と、複数回の再生サイクル中の性能においてユニークです。モレキュラーシーブの前に、シリカゲルや活性アルミナなどの他の乾燥剤を使用して大量の水分を処理することもできますが、特に極低温用途では、モレキュラーシーブが提供するきめ細かく深い乾燥にはかないません。

空気が乾燥・精製された後、液化温度まで冷却され、コールドボックスに送り込まれる。ここで蒸留塔が酸素と窒素、アルゴン、その他の微量成分を分離する。最終生成物は非常に高純度の液体酸素で、そのまま使用することも、気化させて医療用酸素、溶接、製鉄産業で使用することもできる。この方法は、純度99%以上の酸素を必要とする用途や、大規模な酸素生成に適しており、酸素需要の高い産業にとって基本的な技術となっている。

しかし、極低温酸素製造に問題がないわけではない。極低温の達成と維持は困難であり、そのために必要な冷却システムは非常にエネルギー集約的で高価である。しかし、鉄鋼業、ガス溶接業、医療産業など、大量かつ恒常的な酸素供給を必要とする産業にとっては、信頼性が高く、大量の酸素を生産できるこの方法は、依然として非常に有用である。

圧力スイング吸着(PSA)

圧力スイング吸着法（PSA）は、酸素を製造する最も効率的で経済的な方法のひとつである。ゼオライトなどの材料を使用し、窒素を選択的に吸着すると同時に酸素を通過させる。比較的低い圧力で作動するPSAシステムは、特に酸素の供給が不可欠な医療分野など、現場での酸素製造に適している。

PSAシステムでは、圧縮空気は最初に窒素やCO₂や水分などの汚染物質を捕捉する吸着材を通って流れます。処理しなければ、これらの不純物はシステムの効率と寿命を大幅に低下させます。5Aや13Xのようなモレキュラーシーブは、窒素分離と深層乾燥の両方に使用される主な吸着材であるため、このプロセスで使用されます。モレキュラーシーブは、水分とCO₂の含有量を1ppm未満に減少させることで、システムの性能を維持し、一定の酸素生産を維持するのに役立つ。前処理工程の中には、活性アルミナやシリカゲルのような乾燥剤を使用するものもあるが、これはバルクの水分を処理し、モレキュラーシーブを保護するものである。しかし、モレキュラーシーブは、PSA操作に必要なレベルの精度と浸透性を達成するために絶対不可欠である。

システム内の圧力が解放されると、窒素は脱着され、吸着材は次のサイクルの運転に備えることができる。PSAは、低温蒸留と同じレベルの純度を達成することはできませんが、ガス溶接や医療目的などの用途に十分な90～95%の純度の酸素を製造することができます。

PSAはスケーラブルであることも大きな利点のひとつだ。小・中規模の生産用に設計できるため、極低温プラントで生産されるような大量を必要としない産業にとっては手頃な価格である。しかし、長期的に高い効率と効果を維持するためには、吸着材を頻繁に再生する必要がある。

真空圧力スイング吸着(VPSA)

VPSAはPSAを改良したもので、脱着プロセス中に真空を利用して窒素を除去するため、効率が向上する。これによりエネルギー消費量が削減され、システム全体の性能が向上するため、VPSAは高流量での中純度酸素製造において費用対効果の高い選択肢となる。鉄鋼生産、水処理、燃焼システムで一般的に使用されている。

VPSAシステムの安定した運転を達成するためには、水分やCO₂を含まない空気を使用する必要があります。これらの成分は吸着剤に害を与えたり、システムの性能を低下させたりする可能性があるからです。特にLiXモレキュラーシーブは、窒素吸着容量が高く、水とCO₂の除去性能に優れ、高圧・多重再生条件下での安定性に優れている。

前処理は通常、活性アルミナとシリカゲルで構成され、総水分除去に対処し、モレキュラーシーブの働きを最小限にする。とはいえ、モレキュラーシーブは、極めて低い露点を達成し、長期的にVPSAシステムの性能を維持するために不可欠である。VPSAは、PSAに比べて酸素発生量あたりのエネルギーコストは低いが、真空システムのため資本コストは高い。この点で、VPSAは高効率と大容量の両方を必要とする産業に最も適している。

膜分離：特定の膜の透過性を利用して酸素を取り出す

膜分離は、酸素製造における比較的新しい技術である。窒素分子ではなく酸素分子の通過を可能にする選択的高分子膜を採用し、濃縮された酸素の流れを作り出す。この方法は小型で消費電力が低く、高いレベルの酸素純度を必要としない用途に適している。

メンブレンシステムは、シンプルでメンテナンスが少ないため、遠隔地や移動式の設置に特に有利である。例えば、ガス溶接業界や化学製造業界では、その柔軟性からこの方式が採用されている。しかし、PSAや極低温プロセスと同レベルの酸素純度を達成できないため、この技術の使用は、中程度の酸素純度が要求される場合にやや制限される。

空気が膜に入る前に、最良の結果を得るために除湿されなければならない。水とCO₂は膜の効率を低下させ、システムの寿命を縮めます。活性アルミナは、ほとんどのプロセスで十分なレベルまでバルク水分を除去するために、これらのシステムの主な乾燥剤として使用されます。より深い乾燥やCO₂ の除去が必要な、より要求の厳しい用途には、吸着能が高いモレキュラーシーブが使用される。4Aまたは13Xタイプのモレキュラーシーブは、水分とCO₂を超高レベルまで除去できる。そのため、膜は十分に保護され、システムは高い使用条件下でも安定した性能を発揮できる。シリカゲルの使用頻度は低いが、水分の大部分を除去し、活性アルミナやモレキュラーシーブの働きを弱めるために、第一工程で使用されることがある。

膜分離は、PSAや極低温技術と同レベルの純度を達成することはできないが、エネルギー消費が少なく、コンパクトで、シンプルな方法であるため、中程度の酸素純度で十分な場合に適している。

結論

工業用酸素製造は、特定のニーズに合わせた様々な方法に依存している：高純度酸素のための低温蒸留、中純度酸素のための圧力スイング吸着（PSA）と真空圧力スイング吸着（VPSA）、コンパクトな中純度溶液のための膜分離などである。これらの方法ではいずれも空気乾燥が不可欠であるため、モレキュラーシーブが非常に重要である。これは、モレキュラーシーブが水分やCO₂を吸着する能力が高く、システムの信頼性と効率を高めるためである。モレキュラーシーブは、その精度、頑丈さ、汎用性から、現代の酸素製造に欠かせない存在であり、さまざまな産業が信頼性の高い成果を達成するのに役立っている。

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工業用酸素製造における潜在的な問題と解決策

これらの課題は、エネルギー消費、純度、操業、貯蔵・輸送の4つの主要分野に分類できる。

エネルギー消費

一般的に使用されている低温蒸留では、液化のために空気を-183℃以下に冷却するために多くのエネルギーを必要とする。このため、メーカーはエネルギー効率の高い冷却技術を使用したり、再生可能エネルギーを生産工程に取り入れたりする方法を模索している。

純度維持

二酸化炭素、水、アルゴンは酸素を汚染する可能性があり、医療施設など高水準の酸素純度を必要とする用途には不向きである。モレキュラーシーブのような高効率の乾燥システム、連続的なモニタリングとろ過は、供給される酸素が適切な品質であることを保証します。

事業継続性

PSAシステムでは、吸着剤を定期的に再生する必要があり、その結果、生産が停止する。システムを二重化し、高容量モレキュラーシーブなどの先進的な吸着材を使用することで、装置の故障時間を短縮し、生産性を向上させることができる。

保管と輸送

酸素の貯蔵と輸送には、高圧ボンベや極低温タンクなど、頻繁な検査が必要な特殊な容器も必要である。軽量で堅牢な貯蔵媒体や現場での酸素生成の進歩により、サプライチェーン管理の問題は解消された。

こうした課題にもかかわらず、工業用酸素製造は、近代的な技術と効果的な手法の助けを借りて、さまざまな産業のニーズに応えている。

工業用酸素製造における新技術とイノベーション

工業用酸素製造の未来は技術革新であり、プロセスをより効率的、持続可能、安価にする努力がなされている。極低温蒸留の新開発は、最大の経費要因のひとつであるエネルギー使用に狙いを定めている。大規模な酸素製造の効率を向上させるため、-183℃以下の氷点下温度を達成するのに必要な電力を下げる新しい冷却技術が開発されている。

PSA技術では、窒素吸着と酸素選択性を高めるため、モレキュラーシーブのような新しい優れた吸着材が設計されている。これらの材料は、酸素出力を高め、システムの耐用年数を延ばし、メンテナンス費用を低減する。また、PSAと極低温技術を組み合わせて、高純度で比較的低コストの運転を実現する試みも行われている。

新しいAIベースのモニタリング・ソリューションは、リアルタイムのデータ分析と予知保全を提供することで、すでに酸素製造業界を変えつつある。このようなシステムは無駄を省き、要求される性能レベルを保証し、環境目標に貢献する。

最後に、膜分離技術の開発が酸素生成の機会を広げている。これらのシステムは小型でエネルギー効率が高いため、小型のシステムをリーズナブルな価格で必要とする産業に適している。

現行技術の改良から工業用酸素の新しい製造方法の開発まで、世界はより効率的で持続可能な方法で酸素を供給している。